低改高高速公路路橋過渡段加寬沉降規(guī)律

李友云，安鋼，謝繼登，趙秀艷，何敏

1. 長沙理工大學 交通運輸工程學院，湖南 長沙 410114； 2. 保利長大工程有限公司，廣東 廣州 510000；3.中國建設(shè)第五工程局有限公司 第三建設(shè)有限公司，湖南 長沙 410000

0 引言

高速公路路橋過渡段中的結(jié)構(gòu)物與過渡段路基存在明顯差異沉降，引起橋頭跳車，降低了行車的安全性及舒適性，增加道路養(yǎng)護成本。差異沉降改變了車輛通過路橋過渡段時的動力學特性，跳車產(chǎn)生的沖擊荷載將加大差異沉降，加速橋頭結(jié)構(gòu)物的損壞，造成橋臺結(jié)構(gòu)裂縫、搭板斷裂、樁臺變位、路面車轍等病害[1-5]。

近年來諸多研究者探討路橋過渡段的沉降規(guī)律。吳江龍[6]分析高速公路路橋過渡段常見病害類型，探討其產(chǎn)生的原因，提出改善措施。俞永華等[7]應用MARC軟件，建立路橋過渡段差異沉降的三維計算模型，研究表明：土工格室復合體限制了周圍土體的側(cè)向變形，減小了路堤本身的壓縮變形。沈宇鵬等[8]建立七自由度車輛模型和過渡段三維動力學模型，分析提出搭板的優(yōu)化設(shè)計參數(shù)。袁前勝等[9]通過有限元分析，證明路橋過渡段最大沉降隨高度增加而增大。當橋墩臺北回填過渡段原地面坡比從1∶3增加到1∶6時，沉降有所增大。谷世平等[10]深入分析工程地質(zhì)情況，系統(tǒng)總結(jié)橋頭跳車的原因。袁騰文[11]通過調(diào)查路橋過渡段存在的主要病害及其造成的危害，詳述在典型工程項目中的應用效果。李智峰[12]應用Abaqus有限元軟件建立三維路橋過渡段計算模型，研究一定差異沉降下搭板最大垂直變形的指數(shù)表達式，分析搭板性能參數(shù)與最大垂直變形和路橋過渡段差異沉降的關(guān)系。萬仁新[13]分析路橋過渡段不均勻沉降產(chǎn)生的原因，探討路橋過渡段施工質(zhì)量控制措施。王楚發(fā)等[14-16]以理論分析和數(shù)值計算為研究手段，系統(tǒng)地分析軟弱土地段高速鐵路路橋過渡段的沉降規(guī)律，提出相應的地基處理方法。馬國棟等[17-19]理論分析了路基拓寬工程中常見病害及其成因機理，采用ANSYS數(shù)值仿真拓寬路基產(chǎn)生的不均勻沉降，分析新老路基不均勻沉降的規(guī)律特點。蔣關(guān)魯?shù)萚20-22]建立交變溫度環(huán)境中的活動層，通過地下水熱效應及滲流效應模擬設(shè)備觀測坡腳積水和地下水對路橋過渡段差異性沉降的影響。

低改高新老路基差異沉降對路橋過渡段影響的研究較少[23-25]，加之施工現(xiàn)場較復雜，觀測原件經(jīng)常遭到破壞，無法準確獲得沉降變形數(shù)據(jù)。本文通過Abaqus有限元軟件分析預測在交通荷載作用下低改高高速公路路橋的路基差異沉降對路橋過渡段的影響，分析在填土完成和運營期間的位移、應力變化，以期為設(shè)計及施工提供依據(jù)。

1 工程概況

蓮株高速(二級公路，原蓮易公路)改建為高速公路項目工程起于醴陵蓮花沖，止于株洲市紅旗立交東，全長50.4 km。全線共設(shè)置橋梁27座，橋涵結(jié)構(gòu)物較多，為保證低改高公路路橋過渡段的長期穩(wěn)定，需加強新舊路基搭接、路基與橋涵結(jié)構(gòu)物的過渡，避免縱橫向差異沉降過大。

本文選取K1093+620—K1093+900的15號橋為研究背景，橋面雙向4車道，采用高速公路標準，路基寬24.5 m，設(shè)計填土高6 m。

2 有限元模擬計算分析

2.1 有限元模擬原理

土體在外部荷載下應力應變表現(xiàn)出非線性、各向異性、彈塑性等特征，各國學者研究提出多種本構(gòu)關(guān)系以表征土體的應力變形特征。庫倫于1773年提出Mohr-Coulomb理想彈塑性模型，其Mohr-Coulomb破壞準則認為當土體某平面上的剪應力達到某一限值，將引起屈服，剪應力的準則方程為：

τn=f(c,φ,σn)，

式中：c為土體黏聚力，φ為土體內(nèi)摩擦角，σn為屈服面上的正應力。

屈服條件為：

τn=c+σntanφ。

Mohr-Coulomb準則在π平面上的屈服曲線是一個封閉的非正六邊形。Mohr-Coulomb準則反映材料抗拉與抗壓強度的差異，對靜水壓力具敏感性，模型所需參數(shù)較少，通過輸入φ、c、彈性模量E、泊松比μ、密度ρ、膨脹角等定義土體屬性。

對混凝土材料采用理想線彈性本構(gòu)關(guān)系，其表達式為：

σ=Dεe，εe=D-1σ，

本文的模擬計算中，地基土、舊路填土、新路基填土采用Mohr-Coulomb模型，屈服準則為Mohr-Coulomb準則；樁體、橋臺、搭板、路面結(jié)構(gòu)層、臺背回填料選用理想線彈性本構(gòu)模型，屈服準則為Von-Mises準則。

2.2 模型基本假定

1)地基與舊路基固結(jié)已完成，初始應力由地基及舊路基荷載提供，提供生死單元的方式模擬加寬路基、橋臺結(jié)構(gòu)的填筑;2)將承臺側(cè)搭板的邊界條件進行綁定約束，其余3條邊則按自由邊考慮;3)車輛荷載等效簡化為10 kPa均布面荷載[12-13];4)假定土體材料及樁上接觸處不承受拉力;5)將路面結(jié)構(gòu)簡化為一層，滿足均勻性假設(shè)。

2.3 模型參數(shù)

蓮株高速公路升級改造工程中的地質(zhì)勘測資料和文獻[9]提供Abaqus模擬分析時所需各材料力學參數(shù)，如表1所示。根據(jù)土體中水的質(zhì)量分數(shù)不同時的土體力學參數(shù)，結(jié)合路基濕度場分析結(jié)果給出新路基各層位材料參數(shù)，見表2～7。

表1 新路基各層位材料參數(shù)

表2 新路基93區(qū)填料使用后的力學特性參數(shù)

表3 新路基94區(qū)填料使用后的力學特性參數(shù)

表4 新路基96區(qū)填料使用后的力學特性參數(shù)

表5 換填至96區(qū)舊路側(cè)96區(qū)填料使用后的力學特性參數(shù)

表6 換填至94區(qū)舊路側(cè)96區(qū)填料使用后的力學特性參數(shù)

表7 換填至94區(qū)舊路側(cè)94區(qū)填料使用后的力學特性參數(shù)

2.4 模型建立

將K1093+620—K1093+900的15號橋選為路橋過渡段，根據(jù)設(shè)計參數(shù)建立模型如圖1所示。

a)路基縱斷面 b)路基橫斷面圖1 路基模型示意圖

模型計算主要有3個階段：第1階段為地應力平衡，模擬地基、舊路基及橋臺部分在自重荷載下的平衡狀態(tài)；第2階段為模擬路基、路面填筑；第3階段為通過施加均布荷載實現(xiàn)模擬通車運營階段行車荷載作用，本模型工后運營時間為15 a。

分析步中涉及生死單元，在新路基未填筑之前進行地應力平衡，此時新路基及路面部分為殺死狀態(tài)。在相對應的分析步中回填相應層位，激活這一區(qū)域并激活所涉及接觸和荷載。

2.5 Abaqus模型分析前處理定義

1)邊界條件

在Load模塊中定義邊界條件。根據(jù)路基和橋臺部分在實際工況下的受力與約束狀態(tài)，模型中設(shè)置的邊界條件為：模型地基底部施加全約束(水平位移和垂直位移都為0)，模型頂部為自由面，其余部分施加水平約束，只考慮上部填土引起的應力、位移變化。

2)接觸條件

在Abaqus中接觸分析需定義一對接觸面，并指定主控表面和從屬表面，主控面上的節(jié)點可浸入從屬面，主控面應為接觸面中剛度較大或網(wǎng)格較粗的面。本模型涉及的接觸主要有樁側(cè)樁周土與樁基接觸面、臺身與臺后填土接觸面、承臺與承臺周圍土體接觸面和搭板與搭板周圍瀝青混凝土接觸面。

接觸切向行為的摩擦公式采用罰摩擦公式，允許黏性接觸面間發(fā)生微小的相對滑動，其中樁土間摩擦系數(shù)為0.35，承臺、臺身與土體間摩擦系數(shù)為0.35。法向行為的壓力過盈采用“硬”接觸。樁體底面與土體進行綁定約束。

3)網(wǎng)格劃分

在有限元模擬計算中，劃分幾何模型網(wǎng)格的單元形狀、類型、數(shù)量將對計算結(jié)果產(chǎn)生較大影響。為使各結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分既滿足工程模擬精度，又節(jié)約計算成本，將結(jié)構(gòu)物與其周圍土體處網(wǎng)格密度適當增大，距計算區(qū)域較遠處網(wǎng)格密度適當減小，更好地反映結(jié)構(gòu)物與土體的相互作用，減少內(nèi)存占用，提高運算速度。

本模型中，地基及路基采用六面體單元、結(jié)構(gòu)劃分、減縮積分及沙漏控制，網(wǎng)格類型為C3D8R，土體部分全局網(wǎng)格劃分尺寸為1.5，靠近結(jié)構(gòu)物部分網(wǎng)格密度適當增加。臺身采用六面體單元、結(jié)構(gòu)劃分，樁基礎(chǔ)采用中性軸算法，自由劃分，非協(xié)調(diào)模式，網(wǎng)格類型為C3D8I，全局網(wǎng)格劃分尺寸為0.5，如圖2所示。

a)臺身 b) 地基及路基圖2 臺身和地基、路基三維模型

3 計算結(jié)果分析

3.1 過渡段橫向沉降位移分析

對低改高公路工程路橋過渡段加寬，分析過渡段橫斷面加寬后的變形規(guī)律，所選橫斷面距臺背距離z分別為-4、-13、-20 m，具體分析距臺背不同距離下過渡段橫斷面豎向位移變化情況。

1)豎向位移

距臺背4 m處(z=-4 m)道路橫斷面沉降云圖如圖3所示(圖中單位為mm)，各橫斷面地基表面及路基頂面豎向位移曲線如圖4、5所示。

圖3 z=-4 m處路堤橫斷面豎向位移云圖

a)不同橫斷面地基表面沉降 b)z=-13 m不同運營時間地基表面沉降圖4 地基表面沉降曲線

a)不同橫斷面路基表面沉降 b)z=-13 m不同運營時間路基表面沉降圖5 路基頂面沉降曲線

由圖3～5可知：地基表面豎向位移整體趨近于“盆”形，舊路基沉降較小，道路中線附近沉降開始快速增大，在新路肩左側(cè)z=33 m處出現(xiàn)最大沉降。橫斷面距臺背越遠，沉降整體越大，但沉降橫向分布基本一致。由圖4b)可知：運營后新舊地基沉降均有所增加，但拓寬側(cè)沉降增加更為明顯，填筑完成時地基表面最大沉降為4.1 cm，運營2 a后增至5.9 cm，運營15 a最大沉降為6.9 cm，地基橫向差異沉降達到6.0 cm。運營2 a內(nèi)生成的沉降占工后總沉降的64%。由圖5b)可知：運營后路面沉降均有所增加，但拓寬側(cè)沉降增加更為明顯。填筑完成時路基表面最大沉降為4.2 cm，運營2 a后增至6.1 cm，運營15 a最大沉降為7.2 cm。工后沉降主要集中在運營2 a內(nèi)生成，運營5 a后路面沉降基本不再增加。

2)水平位移

道路x方向水平位移云圖如圖6所示(圖中單位為mm)，路基頂面拼接處、舊路下方地基及坡腳的下方土體有明顯x方向水平位移，地基及路面表面x方向水平位移曲線如圖7、8。

圖6 道路x方向水平位移云圖

由圖7可知：在加寬路基荷載及沉降作用下，下部地基從橫斷面最大沉降處(z=33 m)向兩側(cè)擠壓，使地基產(chǎn)生相反的水平位移，形心左側(cè)地基向舊路坡腳方向流動，形心右側(cè)向新路坡腳流動，橫斷面方向地基沿y方向的最大水平位移位于地基8 m深度處。

a)不同橫斷面地基表面x向水平位移 b)z=-13 m不同運營時間地基表面x向水平位移圖7 地基表面x方向附加水平位移曲線

由圖8b)可知：填筑完成時，路基拼接處最大水平位移為5.0 mm，運營2 a后為8.5 mm，運營15 a后為9.6 mm，路面水平位移的產(chǎn)生依賴于路基沉降。

a)不同橫斷面路面表面x向水平位移 b)z=-13 m不同運營時間路面表面x向水平位移圖8 路面表面x方向附加水平位移曲線

3.2 過渡段縱向沉降位移分析

1)豎向位移

因較大沉降出現(xiàn)在靠近加寬路基路肩處，選取新路基靠近路肩處切面(x=33 m)為縱斷面，其豎向位移云圖如圖9所示(圖中單位為mm)，地基表面、路基表面沿道路縱向的豎向位移曲線如圖10、11。

圖9 過渡段縱斷面豎向位移云圖

由圖10可知：縱向地基表面沉降由臺背至遠處逐漸增大，與橫斷面相同，地基沉降主要集中在填筑期及工后5 a內(nèi)。工后15 a，靠近橋臺處地基沉降為5.5 cm，距橋臺15 m處為6.9 cm。

圖10 x=33 m縱斷面地基表面附加豎向位移曲線 圖11 x=33 m縱斷面路基表面附加豎向位移曲線

由圖11可知：橋梁通車后，工后沉降主要集中在工后5 a內(nèi)，工后15 a橋臺與臺后15 m間總差異沉降為7.2 cm，其中工后差異沉降為3.0 cm。路基與橋臺接觸部位有錯臺現(xiàn)象，運營2 a錯臺高度為2.9 cm，錯臺易引起橋頭跳車，在車輛沖擊荷載作用下，將加速結(jié)構(gòu)物損害，增大差異沉降。

2)水平位移

道路縱斷面(x=30 m)沿z方向水平位移云圖如圖12所示(圖中單位為mm)，縱斷面水平位移主要表現(xiàn)在地基近橋臺一定深度處及路基換填區(qū)頂部。在回填土的擠壓變形下，地基土體發(fā)生向橋臺方向的側(cè)向流動，而回填區(qū)頂部產(chǎn)生向臺后的滑移。取地基y=-5 m深度處及路基表面繪制水平位移曲線如圖13所示。

圖12 x=33 m縱斷面地基表面附加水平位移云圖 圖13 x=33 m縱斷面路基表面附加水平位移曲線

由圖13可知：地基表現(xiàn)向z軸正向的水平位移，近橋臺處水平位移最大，水平位移隨距橋臺的距離增大而逐漸減小。

過渡段加寬路基縱斷面等效應力和剪應力分布如圖14、15所示(圖中單位為MPa)。

圖14 過渡段路基縱斷面等效應力分布云圖 圖15 過渡段路基縱斷面剪應力分布云圖

由圖14可以看出：臺背換填區(qū)底部及臺后路基頂部一定范圍內(nèi)有應力集中現(xiàn)象，地基整體應力水平沿縱向隨距臺背距離增大而逐漸增大,并趨于定值。

由圖15可以看出：縱斷面剪應力主要集中在臺背換填區(qū)及樁底區(qū)域。換填區(qū)底部受承臺支撐，且與一般土體臺階搭接，底部4 m范圍內(nèi)承臺、換填材料和路基填料的沉降變形特性差異明顯，剪應力集中將降低回填區(qū)土體的穩(wěn)定性，在施工過程中應加強換填區(qū)下部地基的處理，如換填、強夯加固等。

3.3 應力分布

過渡段加寬路基橫斷面等效應力和剪應力分布如圖16、17所示(圖中單位為MPa)。

圖16 過渡段路基橫斷面等效應力分布云圖 圖17 過渡段路基橫斷面剪應力分布云圖

由圖16可知：加寬路基頂部沉降量較大，此處路基土產(chǎn)生附加拉應力造成應力集中，拉應力若超過路基材料容許拉應力，路基材料受拉破壞，路基沿新舊路基拼接處發(fā)生縱向開裂。在加寬路基施工中應采取有效控制技術(shù)減小新舊路基的差異沉降，提高路面結(jié)構(gòu)抗拉能力，避免差異沉降引起的拉應力過大。

由圖17可知，拓寬后在路基拼接位置及加寬路基邊坡存在局部剪應力集中現(xiàn)象。

4 結(jié)論

1)采用 Abaqus軟件建立三維低改高路橋過渡段加寬模型，模擬分析加寬橫向位移特征。分析表明：沉降主要集中在填筑期及工后5 a內(nèi)，拓寬側(cè)工后沉降主要集中在2 a內(nèi)，占工后沉降的64%；越接近加寬路基，舊路地表沉降越大；水平位移在加寬側(cè)形心下部向兩側(cè)流動，路基頂部表現(xiàn)為向加寬側(cè)的水平位移，結(jié)合部附近水平位移較大。

2)進行縱斷面方向模擬分析表明：路基及地基沉降均由橋臺向一般路基逐漸增大，差異沉降表現(xiàn)在臺后15 m范圍內(nèi)，運營15 a橋臺與臺后15 m間總差異沉降為7.2 cm，其中工后差異沉降3.0 cm；路基z方向水平位移與地基土流動方向相反，換填區(qū)頂部向路基偏移，產(chǎn)生橫向裂縫。

3)低改高高速公路加寬路基頂部沉降較大，此處路基土產(chǎn)生附加拉應力，造成應力集中，拉應力若超過路基材料容許拉應力，路基材料受拉破壞，路基沿新舊路基拼接處發(fā)生縱向開裂。